力学定量实验教学探讨

物理实验因不同的划分标准有不同的分类方法,按研究对象的关系可分为定性实验和定量实验。定性实验是以判定某些因素是否存在,某些因素之间是否有关系的实验,是定量实验的基础。定量实验是指用以测量某对象的数值,研究某些因素之间的数量关系的实验。如欧姆定律、库仑定律、焦耳—楞次定律、牛顿第二定律的实验,以及物理学中有关长度、质量、密度、电流、磁场强度等物理量的测量都属于定量实验,物理量的测量是实验研究的重要环节。本文就简述从一些简单的力学定量实验过程之中来提高学生物理实验的质量。

一、 测量时对仪器使用做到熟练、准确

长度测量的实验在初中、高中就有,到了大学时仍要做长度测量的实验,可见此实验为最基础的实验。在长度测量中,最基本的就是要掌握几种常用的测量仪器,熟练的掌握仪器使用才能准确的测量。在长度测量中一般使用的仪器有米尺、游标卡尺、螺旋测微计、读数显微镜等,表征这些仪器特征主要是量程和分度值。量程表示仪器能测量到的最大范围,分度值表示仪器可以准确读到的最小数值,分度值越小的仪器精密度越高。在做实验时,要提醒学生注意这几种仪器的使用方法、量程、分度值,以及每种仪器在什么条件下使用最适合。米尺在这几种仪器中精度最低,这种仪器在日常生活中学生接触较多,在讲清原理后学生较容易掌握其使用方法,一般不会出什么差错。在讲解游标卡尺、螺旋测微计和读数显微镜时,一定要讲清讲细它们的基本原理和使用方法,使学生在使用时达到事半功倍效果。

游标卡尺是用来测量被测物体的内径、外径、长度和深度尺寸的。我们在向学生介绍游标卡尺时,一般先介绍它的基本原理,学生虽然理解了原理,使用起来不会灵活运用。时常会碰到学生每测量一个数值,都生搬硬套原理公式进行计算,不会使用分度值方法在游标上读数。使用游标卡尺进行测量时,首先要弄清量程、分度值是多少,再看看零点值,然后看清游标上第几条刻线与主尺的某刻线对齐。根据:待测尺寸=主尺值+游标第m根与主尺对齐×最小分度值-零点读数,就可得到待测物体的尺寸,其实可以更为快速读数。例如五十分游标卡尺的分度值为0.02mm,游标上刻有0、1、2、3……9等标度数,如主尺上的读数是21mm,与主尺对齐的游标上刻线标度数为8,就可直接读出待测物的尺寸是21.80mm。因为游标上的每一小格为0.02mm,如与主尺对齐的游标上的是标度数8—9之间的第2根刻线,则游标上的读数为0.84mm,总读数为21.84mm,就不用数几十根线与分度值相乘,这样能提高测量效率。

螺旋测微计是根据螺旋放大法而设计的,是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。实验室中常用的螺旋测微计的量程为25mm,其分度值为0.01mm,即1/1000cm,所以也叫千分尺。螺旋测微计的读数方法与游标卡尺类似,学生在使用螺旋测微计时出现问题最多的,一是经常读错整圈数,特别是整圈数与微分套筒接近时错得更多,如会把1.975mm读成2.475mm。二是不使用棘轮而直接转动活动套筒去卡住物体,由于对被测物的压力不稳定,就测不准,不使用棘轮,测杆上的螺纹将发生变形和增加磨损,降低了仪器的准确度。针对这些问题,我们在指导学生实验时会特别提醒学生注意,并给学生作示范操作,减少学生实验的主观错误。

读数显微镜是将测微螺旋和显微镜组合起来作精确测量长度用的仪器。读数显微镜具有准确度高、进行无接触测量等优点,除可以用来测量物体长度外,在光学实验中可用来确定实像、虚像位置和测定实像、虚像的大小。读数显微镜的读数方法与螺旋测微计读数方法类似,但读数显微镜的使用更复杂些。它的调节方法一般分为对准、调焦、消除视差三步,而且都应该增加一个光源,调节效果更好。在实验测量中特别提醒学生注意:读数显微镜的移动方向和被测二点间连线要平行;还要防止回程误差。移动显微镜使其从相反方向对准同一目标的两次读数,似呼应当相同,实际上由于螺丝和螺套不可能完全密接,螺旋方向改变时,它们接触状态也将改变,两次读数将不同,因此在测量时应向同一方向转动转鼓使叉丝和各目标对准,当移动叉丝超过了目标时,就要多退回一些,重新再向同一方向转动鼓轮去对准目标进行测量。正确的使用测量仪器,测量数据的坏数据才会减少,才能达到实验的目的。

二、 在质量称衡中掌握实验技巧

在基础物理实验教学中绝大多数实验项目都是定量实验,这些实验都规定有其实验目的要求,每个实验我们能按照其所规定的实验步骤去完成,也就达到了实验基本要求。我们在指导学生实验时,虽然之前已经讲清实验要领,但学生真正动手起来还是不得法,以致影响实验进程,下面就质量的称衡实验为例,将学生在实验中碰到的一些问题和指导实验的做法陈述如下:

质量的称衡在初中,高中物理实验中,学生也用过托盘天平和物理天平称量过。《普通物理实验》(杨述武主编)中的质量称衡使用的是分析天平进行称衡。分析天平与托盘天平、物理天平的操作方法类似。分析天平的测量精度更高,操作规程更细。因此,这个实验我们通常成为精密称衡。学生在实验中经常分不清停点、零点,而且没有耐心做实验。分析天平的零点不是指其指针停稳的示值,而是经过将天平调整好后要求零点e0在示值10±1格范围内;停点则要连续读出左右摆动5次的指针位置a1、b1、a2、b2、a3。则停点为

e=[SX(]a1+a2+a3[]3[SX)]+[SX(]b1+b2[]2[SX)]

天平空载时的停点为零点,零点和标尺中点值之差小于1分格。实验还要求测出天平的灵敏度,我们会在这两部分用上实验课一半的时间指导学生实验,让他们弄明白分析天平测量物体质量的要领,并逐组检查他们测量的数据,符合要求后才能进行实物称衡,不符合要求的则要从头再来,并帮助学生分析可能出现问题的地方,有时只是因为学生懒得关好天平玻璃窗受风的影响出现坏数据,或是不认读数读出错数据,我们都会要求学生重做,培养学生严谨耐心的实验作风,并可以在实验中举一反三,掌握实验窍门,为下步实物称衡增加了熟悉的操作技术,使实验的质量更高。

三、 在综合实验中理解物理量之间的关系

物理现象一般不仅需要对其进行定性描述,也需要对其进行定量研究,以建立各物理量之间的定量关系。物理学的大多数规律不但有定性描述,都还有定量的数学关系。物理实验不但可以借助于各种仪器对物理现象和过程进行定性观察,而且凡是需要定量的东西都能用仪器、仪表把这些数据量度出来,即准确地测定各物理量之间的数量关系进行定量研究,建立数学方程式数学关系式。

如牛顿第二定律,对于一定质量m的物体,其受到的合外力F和物体所获得的加速度a之间存在如下关系:F=ma。牛顿第二定律的研究实验是在气垫导轨装置上进行的。首先要测出整个运动系统的速度、加速度。在实验中要测量物体在某点的瞬时速度v是比较困难的,通常在一定误差范围内,用平均速度代替瞬时速度。物体做匀加速直线运动时,由运动学公式可知:v22-v21=2as, v2、v2为物体运动初、末速度,a为加速度,s为两点之间距离,若测出v2、v1、s那么可知物体加速度a的大小为a=(v22-v21)/2s。我们一般采用下面二公式之一进行计算

a=[SX(]d2[]2s[SX)][SX(]1[]t22[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)]

a=[SX(]d[]t12-[SX(]t1[]2[SX)]+[SX(]t2[]2[SX)][SX)][SX(]1[]t2[SX)]-[SX(]1[]t1[SX)]

(d为挡光片第一前沿到第二前沿的距离,s为光电门1、2的距离t1、 t2为滑块经过光电门1、2的时间,t12为滑块光电门1、2之间的时间)。要研究各物理量之间是否会满足F=ma关系式,在整个运动系统的质量不变的情况下,改变外力F,去测其相关物理量。我们实验室一般采用两种方法。方法一是将导轨调平后,在一端加高为H的垫块,忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞力。此时合外力为F=mgH/L,(L为导轨两支点之间距离)改变垫块高度H,就可改变F值。F值改变,测出的系统加速度a由于t1、t2的不同而改变。方法二是将导轨调平后将细线一端系在质量为m1(m1包括滑块本身质量和其上的小砝码质量)滑块上,另一端绕过滑轮与质量为m0(m0包括砝码盘和小砝码的质量)的砝码盘相连。把砝码盘、细线和滑块看作一个运动系统,当滑块运动时,系统中各物体的加速度是相等的,忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞力,并设细线的张力为T,由牛顿第二定律可得:

mg-T=m0a、T=m1a则 a=mg/(m1+m0)

令F=mg、m=m1+m0 、那么就有a=F/m。

当F保持不便时,a与m成反比,当m不变时,a与F成正比。实验中逐次将滑块上的小砝码移到砝码盘中,(保持m不变,改变F大小)测出系统相应加速度大小即可得出m不变时,a与F成正比。保持砝码盘质量不变(保持F不变)逐次向滑块上增加值量,测出系统相应加速度大小,即可得出力F不变时,a与m成反比。经过反复实验,测出的数据和计算结果去检验F=ma关系式,让学生了解牛顿第二定律各物理量之间的关系,加深理解牛顿第二定律的真正含义,不再单纯为实验而实验,让实验课更充实。

力学定量实验只是物理实验的一小部分,但却是最基础的实验,掌握好这些实验的技能、技巧,为以后的物理实验奠定实验基础,让学生会做实验、爱做实验、做好实验,使物理实验过程能准确、高效,更好完成各种物理实验任务。

参考文献

[1] 杨述武主编 《普通物理实验》高等教育出版社,1993.3

[2] 赵清生等编著 《大学物理实验》 中国科技大学出版社 1993.7

[3] 沈元华,陆申龙.《基础物理实验》.北京:高等教育出版社,2003.4

[4] 沈元华 定性与半定量物理实验教学初探.物理实验2004.(11)

(伍琼芬 广西南宁地区教育学院理工系 530001)

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